一种应用于钻孔机器人的直线旋转永磁电机

1.本发明涉及电机领域，具体是一种可实现直线、旋转和螺旋运动的电机。


背景技术：

2.煤矿机器人是实现矿山智能化和煤矿行业节能减排的重要装备，同时也是煤矿开采技术革命的重要标志，鼓励煤矿机器人开发与应用是实现煤矿智能化开采技术的关键。钻孔作业是煤矿机器人常见作业形式，可以进行超前瓦斯和水的探测等作业，直线旋转永磁电机具有高转矩密度、可靠性高的特点，成为煤矿机器人完成钻孔作业不可或缺的核心设备之一。实用新型专利“动圈式永磁直线旋转电机定子”(申请号：cn201821153377)公开了一种动圈式永磁直线旋转电机定子，将分别产生直线和旋转运动磁场的永磁体置于外定子铁芯轭部两端，将能够产生实现直线及旋转运动磁场的永磁体置于外定子铁芯轭部的内腔中，该定子可以实现了电机的两自由度运动及大推力/大扭矩、高精度控制运行。发明专利“直线旋转电机和车载防抖摄像装置”(申请号：cn2022103485672)，定子和转子分别包含两个驱动组，实现转子直线和旋转运动，此电机且能够降低径向方向的尺寸，将此电机安装在车载防抖摄像装置上，能够抵消轴向移动方向以及加速度，使摄像装置具备防抖功能。发明专利“smd拾取贴装用直线旋转电机”(授权号：cn202011041162)提供了一种smd拾取贴装用直线旋转音圈电机，将旋转电机安装在音圈电机动子内部，音圈电机与旋转电机共用一组永磁体，减轻了电机的质量、缩小了电机的体积，简化了电机结构，提升了直线旋转电机的定位精度。发明专利“一种基于开关磁阻直线旋转电机的转向馈能悬架”(申请号：cn2019106079344)将开关磁阻直线旋转电机应用于悬架系统，实现了悬架系统的转向，取消了原有转向系统，简化了汽车的底盘结构，消除大幅度转向时的结构干涉。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种应用于钻孔机器人的直线旋转永磁电机，该电机具有高转矩密度、低直线定位力等特点。
4.本发明实现发明目的采用如下技术方案：
5.一种应用于钻孔机器人的直线旋转永磁电机，该电机主要由定子部分、转子部分、动子部分和相关配件组成，定子部分由定子铁芯(2)和旋转运动电枢绕组(3)组成，转子部分由铝制支撑架(6)、旋转运动铁极(8)、直线运动铁极(11)、轴向充磁n极永磁体(9)和轴向充磁s极永磁体(10)组成，动子部分包含动子极(12)、直线运动环形电枢绕组(13)、动子轭(14)和轴(7)，转子铁芯通过铝制支撑架(6)与套在轴(7)上的加长型滚珠直线轴承(4)联结，旋转轴承(5)套接在加长型滚珠直线轴承(4)上与防爆机壳(1)联结，此电机只采用一套永磁体便实现了旋转、直线和螺旋运动，通过改变转子铁芯结构，改变永磁磁路，在转子内外两侧直线运动铁极(11)和旋转运动铁极(8)上分别形成了沿轴向和周向n、s极交替的极性，进而建立了直线和旋转运动气隙磁场，同一套永磁体即作为旋转运动永磁励磁源，也作为直线运动永磁励磁源，简化了电机结构，降低了电机加工的难度及生产成本。
6.作为优选，本发明提供的一种应用于钻孔机器人的直线旋转永磁电机，其特征在于：通过灵活设计转子铁芯外侧旋转运动铁极的宽度、厚度、极距及铁极与永磁体外径的距离，提高旋转运动气隙磁密，进而提高转矩密度，旋转运动气隙磁密沿轴向近似正弦分布，降低了定子铁芯磁密，提高了电机负载情况下电流密度，进一步提高转矩密度，且旋转运动端部气隙磁密较低，降低了端部效应的影响。
7.作为优选，本发明提供的一种应用于钻孔机器人的直线旋转永磁电机，其特征在于：直线运动环形电枢绕组嵌入在动子槽内，随着动子一起运动，构成动圈式结构，电机轴向运动距离等于定子轴向长度与动子轴向长度之差。
8.有益效果：
9.本发明与现有技术相比，其有益效果体现在：此电机只采用一套永磁体便实现了旋转、直线和螺旋运动，通过改变转子铁芯结构，改变永磁磁路，在转子内外两侧直线和旋转运动铁极上分别形成了沿轴向和周向n、s极交替的极性，进而建立了直线和旋转运动气隙磁场，同一套永磁体即作为旋转运动永磁励磁源，也作为直线运动永磁励磁源，简化了电机结构。旋转运动气隙磁密沿轴向近似正弦分布，降低了定子铁芯磁密，提高了负载情况下电流密度，进一步提高转矩密度，且旋转运动端部气隙磁密较低，降低了端部效应的影响。直线运动环形绕组嵌入在内动子槽内，随着动子一起运动，构成动圈式结构，电机轴向运动距离等于定子轴向长度与动子轴向长度之差。
附图说明
10.图1是直线旋转永磁电机整体结构图。
11.包含机壳(1)、定子铁芯(2)、旋转运动电枢绕组(3)、加长型滚珠直线轴承(4)、旋转轴承(5)、铝制支撑架(6)、轴(7)、旋转运动铁极(8)、轴向充磁n极永磁体(9)、轴向充磁s极永磁体(10)、直线运动铁极(11)、动子极(12)、直线运动环形电枢绕组(13)和动子轭(14)。
12.图2是直线旋转永磁电机定子部分结构图。
13.包含定子铁芯(2)、旋转运动电枢绕组(3)、定子轭(16)和定子极(17)。图3是直线旋转永磁电机转子部分结构图。
14.包含旋转运动铁极(8)、轴向充磁n极永磁体(9)、轴向充磁s极永磁体(10)、和直线运动铁极(11)。
15.图4是直线旋转永磁电机铝制支撑架结构图。
16.包含铝制支撑架(6)。
17.图5是直线旋转永磁电机动子结构图。
18.包含动子铁极(12)、直线运动环形电枢绕组(13)和动子轭(14)。
19.图6是直线旋转永磁电机拓扑结构i结构图。
20.包含定子铁芯(2)、旋转运动电枢绕组(3)、动子极(12)、直线运动环形电枢绕组(13)、定子轭(16)、定子极(17)、周向充磁永磁体n极(18)、周向充磁永磁体s极(19)和直线运动铁极(20)。
21.图7是直线旋转永磁电机拓扑结构ii结构图。
22.包含定子铁芯(2)、旋转运动电枢绕组(3)、轴向充磁n极永磁体(9)、轴向充磁s极
永磁体(10)、直线运动铁极(11)、动子极(12)、直线运动环形电枢绕组(13)、动子轭(14)、定子轭(16)和定子极(17)。
23.图8是直线旋转永磁电机拓扑结构iii结构图。
24.包含定子铁芯(2)、旋转运动电枢绕组(3)、动子极(12)、直线运动环形电枢绕组(13)、动子轭(14)、定子轭(16)、定子极(17)、周向充磁n极永磁体(18)、周向充磁s极永磁体(19)。
具体实施方式
25.所述一种应用于钻孔机器人的直线旋转永磁电机，其整体结构图如图1所示，该电机包含机壳(1)、定子铁芯(2)、旋转运动电枢绕组(3)、加长型滚珠直线轴承(4)、旋转轴承(5)、铝制支撑架(6)、轴(7)、旋转运动铁极(8)、轴向充磁n极永磁体(9)、轴向充磁s极永磁体(10)、直线运动铁极(11)、动子极(12)、直线运动环形电枢绕组(13)和动子轭(14)。
26.图2是直线旋转永磁电机定子部分结构图，包含定子铁芯(2)、旋转运动电枢绕组(3)、定子轭(16)和定子极(17)。
27.图3是直线旋转永磁电机转子部分结构图，包含旋转运动铁极(8)、轴向充磁n极永磁体(9)、轴向充磁s极永磁体(10)、和直线运动铁极(11)。
28.图4是直线旋转永磁电机铝制支撑架结构图，包含铝制支撑架(6)。
29.图5是直线旋转永磁电机动子结构图，包含动子铁极(12)、直线运动环形电枢绕组(13)和动子轭(14)。
30.图6是直线旋转永磁电机拓扑结构i结构图，包含定子铁芯(2)、旋转运动电枢绕组(3)、动子极(12)、直线运动环形电枢绕组(13)、定子轭(16)、定子极(17)、周向充磁永磁体n极(18)、周向充磁永磁体s极(19)和直线运动铁极(20)。
31.图7是直线旋转永磁电机拓扑结构ii结构图，包含定子铁芯(2)、旋转运动电枢绕组(3)、轴向充磁n极永磁体(9)、轴向充磁s极永磁体(10)、直线运动铁极(11)、动子极(12)、直线运动环形电枢绕组(13)、动子轭(14)、定子轭(16)和定子极(17)。
32.图8是直线旋转永磁电机拓扑结构iii结构图，包含定子铁芯(2)、旋转运动电枢绕组(3)、动子极(12)、直线运动环形电枢绕组(13)、动子轭(14)、定子轭(16)、定子极(17)、周向充磁n极永磁体(18)、周向充磁s极永磁体(19)。
33.图1-5是此直线旋转永磁电机结构图，外定子和内动子铁芯采用硅钢片叠加，转子铁芯采用纯铁加工，旋转运动时，转子部分和内动子部分一起旋转，直线运动时，内动子部分实现轴向往复运动，此电机外定子和转子铁芯轴向长度相等，直线运动距离等于转子铁芯与内动子轴向长度之差，因此可以根据需求，灵活设计外定子、转子和内动子轴向长度，便于进行电机的拓展，此电机旋转运动采用6个定子极、8个n、s交替极性的铁极结构，如果换成其他的极槽组合形式，同样适用。
34.图6-8是直线旋转永磁电机的三种不同的拓扑结构图，图6采用的是周向充磁的永磁体n、s极交替排列，通过改变转子铁芯结构改变永磁磁路，在转子内外两侧形成了可以呈现n、s极交替极性的铁极。图7采用的是外动子、转子和内定子的结构形式，轴向充磁的永磁体n、s极交替排列。图8采用的是外动子、转子和内定子的结构形式，周向充磁的永磁体n、s极交替排列。图6-8是基本的拓扑结构，通过设计不同的定子、动子、转子结构以及不同的永
磁排列形式可拓展多种直线旋转电机，例如以此电机为基础，与游标电机相结合，定子极采用多齿结构，可设计多种电机拓扑。
35.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
36.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。